内蒙古北山地区哈日阿玛岛弧花岗岩地球化学、年代学特征及其地质意义

王 慧，张 欢，潘志龙，王 硕，何娇月，张金龙，侯德华，马梦玲，刘亚芳河北省区域地质调查院，河北 廊坊065000

0 序言

北山造山带位于甘肃、新疆和内蒙古三省（区）交界地带，大地构造位处塔里木－华北古板块和西伯利亚古板块的交汇部位，隶属于中亚造山带南缘，属于多岛弧、多岛洋的构造体系，自北向南发育有红石山－蓬勃山蛇绿岩带、石板井－小黄山蛇绿岩带、红柳河－牛圈子－白云山－洗肠井蛇绿岩带、辉铜山－帐房山蛇绿岩带以及一条规模巨大的公婆泉岛弧岛（也称“公婆泉－东七一山岛弧”）［1-7］.但这些蛇绿岩带的构造属性一直存在较大的争议，部分学者认为石板井－小黄山构造带是塔里木板块和哈萨克斯坦板块的分界断裂［1-3］.然而近些年来的研究结果显示牛圈子－白云山－洗肠井蛇绿混杂岩带为塔里木板块和哈萨克斯坦板块的分界断裂［5-12］，并先后阐明其洋壳形成年龄为527～530 Ma［10-11］，洋壳俯冲则发生于431～461 Ma［9-16］.就公婆泉岛弧而言，已有的资料显示其主要由晚泥盆世弧花岗岩组成，同时在内部也发现了大量的中奥陶世—早志留世的弧花岗岩和岛弧火山岩，其构造属性和形成背景具有较大的争议［14-20］.有学者认为公婆泉岛弧是石板井－小黄山蛇绿岩带向南俯冲的结果［18-19］，也有学者认为公婆泉岛弧是牛圈子－白云山－洗肠井蛇绿混杂岩带向北俯冲的结果［14-17］.本文依托“内蒙古1∶5万基东、尖山、蒜井子、三道明水等四幅区域地质矿产调查”以及“内蒙古1∶5万西林陶勒、梧桐井、石桩子井、石板井幅区域地质矿产调查”项目，通过对哈日阿玛花岗岩开展详细的岩相学、地球化学、锆石U－Pb测年研究，结合区域地质资料，探讨其形成时代、源区特征和构造背景，以期为今后进一步研究公婆泉岛弧岛的形成与演化提供依据.

1 地质背景

研究区位于内蒙古自治区额济纳旗与甘肃省肃北县交界地区，石板井－小黄山构造带从研究区北侧通过，牛圈子－白云山－洗肠井蛇绿混杂岩带位于研究区东南侧呈“S”型展布.以石板井－小黄山构造带为界，北侧隶属于旱山前寒武纪陆块，南侧至牛圈子－白云山－洗肠井蛇绿混杂岩带之间为公婆泉岩浆弧，主要由晚奥陶世—早志留世公婆泉组变质火山岩及侵位于晚奥陶世至晚泥盆世的基性－中性－酸性侵入体构成.牛圈子－白云山－洗肠井蛇绿混杂岩带以南为塔里木板块［5-6］，以发育寒武纪—奥陶纪海进序列沉积地层为特征［21］，基底主要由中新元古界稳定浅海沉积地层构成［22］（图1）.哈日阿玛岛弧花岗岩出露于公婆泉岩浆弧内，包括闪长岩（以糜棱岩为主）、石英闪长岩、斜长花岗岩、英云闪长岩，与奥陶纪—志留纪公婆泉组弧火山岩伴生.其中闪长岩、石英闪长岩和斜长花岗岩彼此侵入边界多为渐变过渡，英云闪长岩侵位时代略早，其与斜长花岗岩之间可见略微清晰但并不截然的边界，总出露面积约14 km2.其西北部被下白垩统赤金堡组陆相沉积覆盖［23］，东北部与公婆泉组呈侵入接触，北部、东部以及南北均被晚泥盆世花岗闪长岩、英云闪长岩侵入，另外在哈日阿玛岛弧花岗岩内零星侵入有呈岩株或岩脉状产出的早泥盆世正长花岗岩.此外，尖山韧性剪切带呈北东向穿过研究区，致使哈日阿玛岛弧花岗岩以及早泥盆世正长花岗岩发生不同程度的韧性剪切变形（图2）.

2 岩石学特征

图1 北山地区公婆泉－石板井一带地质简图（据文献［24］）Fig.1 Geological sketch map of Gongpoquan-Shibanjing in Beishan area（From Reference［24］）

闪长岩（糜棱岩）呈深灰色，岩石具糜棱结构，条带状构造.岩石内可见多期花岗质细脉，其中浅红色正长花岗岩脉也发生了韧性剪切变形，局部与闪长岩发生强烈的构造混染作用（图3a）.闪长质糜棱岩与公婆泉组接触部位可见大量透镜状、条带状产出的斜长角闪岩（变质中基性火山岩）捕虏体，与晚泥盆世花岗闪长岩之间可见清晰且截然的侵入界面（图3b）.偏光显微镜下，糜棱岩残斑由斜长石和角闪石组成，含量40%～45%.斜长石呈近半自形板状、似眼球状等，定向分布，直径一般0.3～2 mm，具绢云母化、黝帘石化，少见聚片双晶；角闪石呈近半自形粒状、似眼球状，定向排列.糜棱物包括长石、角闪石、黑云母.长石主要为斜长石，已重结晶成微粒状，部分集合体以似条纹状绕残斑定向分布；角闪石呈半自形柱粒状，集合体以似断续线痕状、条痕状定向分布，多色性同斑晶；黑云母呈鳞片状，定向分布，多被绿泥石交代呈假像（图3d）.副矿物见不透明矿物、磷灰石、榍石、锆石.

石英闪长岩为灰色—深灰色，细粒花岗结构，局部似斑状结构，定向构造，有不同程度的糜棱岩化特征.岩体内见大量正长花岗岩脉侵入，受韧性变形影响石英闪长岩与闪长岩（糜棱岩）之间界限较为模糊，推测为渐变接触.偏光显微镜下，岩石由斑晶和基质组成.斑晶主要由斜长石组成，含量约10%，粒度一般为1.8～3.1 mm，星散分布.斜长石呈半自形板状，黏土化、绢云母化，局部可见绿帘石化、绿泥石化，聚片双晶发育.基质主要由斜长石、石英、黑云母、角闪石组成，粒度一般为0.1～1.2 mm.斜长石呈半自形板状，蚀变特征同斑晶，聚片双晶、环带结构发育，杂乱分布；石英呈他形粒状，粒内具不同程度波状、带状消光，杂乱或填隙状分布；黑云母呈鳞片－叶片状，多色性明显，局部可见绿帘石化、绿泥石化、碳酸盐化，部分交代角闪石；角闪石呈半自形柱状，多色性明显，零星可见绿帘石化，多见黑云母反应边.副矿物见不透明矿物、磷灰石、榍石、锆石.

图2 哈日阿玛花岗岩地质简图Fig.2 Geological sketch map of Hariama granite

斜长花岗岩呈浅灰色—灰色，花岗结构，定向构造，局部有不同程度糜棱岩化，见大量正长花岗岩脉石.斜长花岗岩与石英闪长岩之间为渐变接触.偏光显微镜下，岩石由斜长石、石英和黑云母组成.斜长石主要呈近半自形板状，少部分呈他形粒状、似眼球状，粒度2～3.2 mm，少部分为0.2～2 mm，杂乱分布，略显方向性排列，不同程度绢云母化、黝帘石化，有时粒内嵌布少量石英，少部分可见环带构造，少量可见双晶弯曲、波状消光现象，少部分可见聚片双晶，双晶纹较细，主要为更长石；石英呈他形粒状，粒度一般小于0.1 mm，少部分0.1～1.2 mm，集合体以似条纹状、似丝带状绕长石定向分布，粒间缝合线状、齿状接触，见波状、带状消光，少部分可见亚颗粒现象；黑云母呈鳞片－叶片状，片径一般小于0.8 mm，集合体以似断续线痕状定向分布，被绿泥石、绿帘石和少量白云母交代呈假像（图3e）.副矿物见不透明矿物、磷灰石.

英云闪长岩呈灰色，花岗结构，定向构造，局部有糜棱岩化特征（图3c）.岩石由斜长石、石英和黑云母组成.斜长石呈近半自形—半自形板状，粒度一般为0.05～2.0 mm，少部分为2.0～3.9 mm，杂乱分布，轻黏土化，零星可见绢云母化、绿帘石化，多见晶内裂隙，环带结构、聚片双晶发育，少部分粒内具波状消光；石英呈他形粒状，粒度一般为0.2～2.0 mm，少部分为2.0～3.4 mm，部分集合体略显条带状定向分布，部分颗粒略显定向拉长，亚颗粒发育，动态重结晶较明显，粒内具不同程度波状、带状消光；黑云母呈鳞片－叶片状，片径大小一般0.05～6.3 mm，多色性明显，局部绿泥石化，零星可见绿帘石化，部分晶体受力弯曲，粒内多具波状、带状消光，略显定向分布（图3f）.副矿物见不透明矿物、磷灰石、榍石、锆石.

图3 哈日阿玛花岗岩野外露头及显微照片Fig.3 Field outcrops and microphotographs of Hariama granite

3 测试方法及测试结果

本次工作共采集了6件新鲜且无明显蚀变的岩石进行岩石化学分析，包括1件闪长岩、3件斜长花岗岩、1件石英闪长岩和1件英云闪长岩，其中闪长岩和英云闪长岩样品同时进行了锆石U－Pb测年工作.

全岩的主量元素和微量元素分析在河北省区域地质 调 查 院 实 验 室 完 成.主 量 元 素SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、CaO、P2O5等采用X射线荧光熔片法完成，分析精度为0.05%；FeO采用滴定分析完成；灼烧减量、H2O＋和H2O－用重量法完成.微量元素分析采用HF＋HClO3＋HNO3溶解样品，王水复溶，在线加入Rh内标溶液，用Thermofisher X SeriesⅡ型ICP－MS完成测定.稀土元素分析精度为0.1×10－6，微量元素为5×10－6，测试方法详见文献［25］.

锆石U－Pb测年样品单件重量均大于10 kg.锆石分选和制靶在河北省区域地质调查院实验室完成，采用常规方法碎样，通过浮选和电磁方法进行分选，在双目镜下挑选晶型完整、无裂隙和包裹体的锆石颗粒进行制靶.对锆石靶打磨抛光后，进行反射光、透射光和阴极发光显微照相.根据锆石外观及形态，挑选测试靶位.

LA－ICP－MS锆石U－Pb测年在中国地质调查局天津地质调查中心完成.激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，数据分析之前用美国国家标准研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM 610进行仪器最佳化.采样方式为单点剥蚀，数据采集选用1个质量峰1个点的跳峰方式，每完成8个测点的样品测定，加测标样1次，观察仪器的状态以保证测试的精度.详细的实验测试过程可参见文献［26］.锆石年龄采用91500作为外标标准物质，元素含量采用NIST SRM 610作为外标，29Si作为内标.测试结果应用GLITTER（ver4.2）软件计算得出，并按照Andersen的方法用LA－ICP－MS Common Lead Correction（ver3.15）对其进行了普通铅校正，年龄计算谐和图绘制采用Isoplot（ver3.0）完成.

3.1 地球化学分析结果

哈日阿玛花岗岩的全岩主量、微量元素分析结果见表1、2.花岗岩SiO2含量为57.52%～69.22%，为中性岩至酸性岩.里特曼指数0.45～0.75，均值0.55.TiO2含量为0.34%～0.78%，Al2O3含量14.66%～16.90%，Na2O含量2.44%～4.68%.除去PM10YQ1样品（闪长岩）外，其余5件样品K2O含量为1.24%～1.99%，K2O/Na2O值在0.26～0.52之间，平均为0.43，具富钠、贫钾的特点.在TAS图解（图4）中，样品位于闪长岩和花岗闪长岩区，属亚碱性岩系.将其进一步投入SiO2－K2O图解（图5）中，除闪长岩样品（PM10YQ1）位于高钾钙碱性系列，其余样品均位于钙碱性岩区.另外，6件样品中A/NK值在1.75～2.18之间，A/CNK值在0.84～1.08之间，均值0.96，具准铝质－弱过铝质特征（图6）.在K2ONa2O图解中，斜长花岗岩、石英闪长岩及英云闪长岩均属于钠质花岗岩，而闪长岩样品（PM10YQ1）则属于钾质花岗岩（图7）.

图4 哈日阿玛花岗岩TAS分类图解（据文献［27］）Fig.4 The TAS diagram of Hariama granite（After Reference［27］）

图5 哈日阿玛花岗岩SiO2－K2O关系图解（据文献［28］）Fig.5 The SiO2-K2O diagram of Hariama granite（After Reference［28］）

6件样品的稀土配分形式呈现明显的右倾型，稀土元素总量ΣREE（包含Y元素）为59.87×10－6～118.56×10－6；（La/Yb）N为3.11～23.86，为轻稀土富集；δEu变化于0.88～1.08，均值0.97，Eu异常不明显（图8）.在微量元素原始地幔标准化图中，富集大离子亲石元素Rb、Ba、Th、U、K以及中等不相容元素Ce、La、Hf，亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti（图9）.需要说明的是，根据野外观察结果判断，在SiO2－K2O图解和K2ONa2O图解中，闪长岩样品的特殊性可能是韧性剪切变形过程中混入了早泥盆世正长花岗岩脉成分造成的.

图6 哈日阿玛花岗岩A/CNK－A/NK图解（据文献［29］）Fig.6 The A/CNK-A/NK diagram of Hariama granite（After Reference［29］）

图7 哈日阿玛花岗岩Na2O－K2O关系图解（据文献［30］）Fig.7 The Na2O-K2O diagram of Hariama granite（After Reference［30］）

3.2 锆石U－Pb年龄

闪长质糜棱岩（样品号PM10TW1，采样位置41°33′26″N，97°45′22″E）：锆石多数呈等轴状或短柱状，少量呈长柱状，半自形—自形，震荡环带发育，边部具轻微熔蚀特征（图10a），为岩浆锆石.对晶型较好无裂纹和包裹体的23颗锆石分析了23个测点（表3）.Th/U值在0.47～1.14之间，显示岩浆锆石特征.206Pb/238U年龄在298～510 Ma之间，其中4个偏老的年龄沿谐和线附近分散分布，可能为继承或捕获锆石年龄.11个年龄值偏小且年龄谐和性差，可能与其放射性铅的丢失有关.8个谐和性较好的年龄分布于两个相对较为集中的区间.其中A区间5个数据的加权平均年龄为430.9±4.7 Ma（n＝5，MSWD＝0.17），可解释为该岩体的形成年龄；B区间3个数据的加权平均年龄为404.5±5.3 Ma（n＝8，MSWD＝0.047），可解释为闪长质糜棱岩中混入的早泥盆世正长花岗岩脉的年龄（图11），该样品具有较高的K2O含量也说明了这一点.

图8 哈日阿玛花岗岩稀土元素配分曲线图（据文献［31］）Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns of Hariama granite（After Reference［31］）

图9 哈日阿玛花岗岩微量元素原始地幔标准化图（据文献［32］）Fig.9 Primitive mantle-normalized trace element spidergram of Hariama granite（After Reference［32］）

细粒英云闪长岩（样品号JDTW12，采样位置41°35′58″N，97°47′36″E）：锆石多数呈等轴状或短柱状，半自形—自形，震荡环带发育，边部具轻微熔蚀特征（图10b），为岩浆锆石.对晶形较好的21颗锆石分析了21个测点（表4）.Th/U值除9号点偏小（0.24），其余在0.38～0.65之间，显示岩浆锆石特征.206Pb/238U年龄在353～524 Ma之间，其中8个偏老的年龄沿谐和线分散分布，可能为继承或捕获锆石年龄；4个年龄谐和性差，可能与其放射性铅的丢失有关；比较集中的8个数据的加权平均年龄为452.5±3.2 Ma（n＝8，MSWD＝0.41）（图11b），可解释为该英云闪长岩的形成年龄.

表1 哈日阿玛花岗岩主量元素分析结果Table 1 Contents of major elements in Hariama granite

4 讨论

4.1 岩石成因及构造环境

哈日阿玛英云闪长岩的Mg＃值为51.85，而玄武质下地壳部分熔融产生的熔体Mg＃不会高于40，表明有幔源物质加入［33-34］；Rb/Sr比值为0.039，低于大陆地壳平均值（0.24），高于上地幔平均值（0.025）［33-34］；Nb/Ta比值为0.068，低于幔源岩石（17.5±2）［35-36］；Zr/Hf比值16.87，低于大陆地壳值（35.68）和原始地幔值（37.50）［35-36］，表明很可能受到具有更低Zr/Hf值的亏损地幔楔部分熔融岩浆的影响.以上特征总体指示了岩浆源区存在幔源成分.

表2 哈日阿玛花岗岩微量、稀土元素分析结果Table 2 Contents of trace elements and REEs in Hariama granite

图10 哈日阿玛闪长质糜棱岩、英云闪长岩锆石CL图像及测年结果Fig.10 CL images and dating results of the zircons in Hariama dioritic mylonite and tonalite

哈日阿玛闪长岩、石英闪长岩及斜长花岗岩的Mg＃值介于44.58～50.88，高于玄武质下地壳，显示岩浆源区具有岩石圈地幔的属性［33-34］；Rb/Sr比值0.025～0.282，平均0.096，低于大陆地壳平均值（0.24）［33-34］；Nb/Ta比值9.06～14.01，平均11.03，接近陆壳岩石（约11）.同英云闪长岩一样，早志留世闪长岩、石英闪长岩及斜长花岗岩的Zr/Hf比值在13.05～34.00之间，平均24.54，低于大陆地壳值（35.68）和原始地幔值（37.50）［35-36］，表明很可能受到具有更低Zr/Hf值的亏损地幔楔部分熔融岩浆的影响.

因此，笔者认为，哈日阿玛花岗岩是起源较深的亏损地幔楔部分熔融形成的岩浆与来自地壳的岩浆混合作用的结果.

哈日阿玛闪长岩－石英闪长岩－英云闪长岩均含有不等量的角闪石和榍石，与Barbarin［37］划分的岛弧富含角闪石钙碱性花岗岩的矿物组合一致.全岩地球化学主微量元素分析结果表明哈日阿玛岛弧花岗岩属于钙碱性I型花岗岩，其富集大离子亲石元素Rb、Ba、Th、U、K以及中等不相容元素Ce、La、Hf，亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti，符合岛弧岩浆的基本特征［38-40］.在Ta－Yb构造环境判别图解［41］中，花岗岩样品除JDQ12样品落入板内花岗岩区外，其余样品均落入岛弧花岗岩区（图12），在Rb－（Y＋Nb）构造环境图解［42］中，均落入岛弧花岗岩区（图13）.综上所述，哈日阿玛花岗岩具有岛弧岩浆岩的特点，形成于板块俯冲的构造环境.

4.2 形成时代与地质意义

LA－ICP－MS锆石U－Pb测年表明，闪长岩（糜棱岩）锆石U－Pb年龄为430.9±4.7 Ma，英云闪长岩的锆石U－Pb年龄为452.5±3.2 Ma.野外地质关系显示，石英闪长岩、斜长花岗岩、闪长岩之间具有渐变的接触关系，三者的侵位时间应该大致相同，略晚于英云闪长岩.总体来说，哈日阿玛岛弧花岗岩形成时代为晚奥陶世至早志留世.

图11 哈日阿玛闪长质糜棱岩、英云闪长岩锆石U－Pb年龄谐和图Fig.11 Zircon U-Pb concordia diagrams of Hariama dioritic mylonite and tonalite

表3 哈日阿玛闪长质糜棱岩PM10TW1样品LA－ICP－MS锆石U－Pb测年结果Table 3 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of Hariama dioritic mylonite sample PM10TW1

前人研究表明，北山造山带经历了多期次、多阶段的板块裂解－俯冲－碰撞－拼合的复杂地质演化过程.寒武纪初期，北山地区古大陆沿红柳河－牛圈子－洗肠井一带发生裂解，之后演化成为北山早古生代洋盆［6］，白云山、月牙山等地蛇绿混杂岩所代表的洋壳年龄为536～496 Ma［18-11，43-45］.奥陶纪—志留纪，红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿混杂岩带开始大规模自南向北俯冲，并沿公婆泉－白云山－斜山－东七一山一线形成公婆泉－东七一山岛弧带［7］，石板井、标山、东七一山等地出露的岛弧花岗岩年龄在464.4～421 Ma之间［14-17，46-47］.早泥盆世，公婆泉、辉铜山、双鹰山以及基东地区发育了大规模的A型花岗岩侵入事件，其年龄在415～397 Ma之间，代表着此时红柳河－牛圈子－洗肠井古洋已经完全闭合且进入后造山阶段［24，48-50］.此外，根据前人对分布于勒巴泉－公婆泉、牛圈子－通畅口一带的公婆泉组研究结果，公婆泉组由玄武岩－安山岩－流纹岩－粗面岩及火山碎屑岩组成，化石、地球化学及同位素年代学证据指示其为晚奥陶世至早志留世的弧火山岩，形成于红柳河－牛圈子－洗肠井古洋向北俯冲的环境［51-56］.通过对比哈日阿玛岛弧花岗岩大地构造位置，综合地质年代学、地球化学分析，以及与之伴生的公婆泉组岩石化学、地质年代学资料，本文认为哈日阿玛岛弧花岗岩为红柳河－牛圈子－洗肠井古洋盆向北俯冲的结果，其地质年代学数据暗示着大洋俯冲最晚在晚奥陶世晚期已经开始，且洋盆闭合时限应晚于早志留世.

表4 哈日阿玛英云闪长岩JDTW12样品LA－ICP－MS锆石U－Pb测年结果Table 4 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of Hariama dioritic mylonite sample JDTW12

5 结论

（1）LA－ICP－MS锆石U－Pb测年结果表明哈日阿玛闪长岩形成于430.9±4.7 Ma，即早志留世；英云闪长岩形成于452.5±3.2 Ma，为晚奥陶世.

（2）哈日阿玛花岗岩属于钙碱性I型花岗岩，为来自地壳的岩浆与来自深部的亏损地幔岩浆混合成因.

（3）岩石学、岩石地球化学和地质学特征指示，哈日阿玛花岗岩体形成于岛弧环境，表明红柳河－牛圈子－洗肠井古洋盆至少在晚奥陶世晚期已经向北俯冲，该洋盆闭合时限应晚于早志留世.

图12 岩石构造环境判别Ta－Yb图解（据文献［41］）Fig.12 The Ta-Yb tectonic discrimination diagram of Hariama granite（After Reference［41］）

图13 岩石Rb－（Y＋Nb）图解（据文献［42］）Fig.13 The Rb-（Y＋Nb）tectonic discrimination diagram of Hariama granite（After Reference［42］）

致谢：中国地质调查局天津地质调查中心同位素实验室袁海帆工程师对本文实验数据处理以及结果进行了指导，并提出了宝贵建议；“内蒙古1∶5万基东、尖山、蒜井子、三道明水区域地质矿产调查”项目组为本论文提供了详实的野外资料.在此一并表示诚挚的谢意.